Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 15. Реакції обміну між електролітами в розчинах, умови їхнього перебігу. Йонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • обґрунтовувати перебіг реакцій між електролітами у водних розчинах;
  • складати рівняння електролітичної дисоціації лугів, кислот, солей, рівняння реакцій обміну в повній та скороченій йонній формах;
  • проводити реакції між електролітами в розчинах з урахуванням умов їхнього перебігу.

Реакції обміну між електролітами в розчинах відбуваються за участю йонів - частинок, які реально існують у розчинах солей, лугів і кислот. Такі реакції називають йонними, а рівняння цих реакцій - йонними рівняннями1.

1 Йонні рівняння також називають йонно-молекулярними.

Уточнімо: йонними рівняннями можуть бути зображені будь-які реакції, що відбуваються за участю електролітів у розчинах. Якщо вони не супроводжуються зміною зарядів йонів (не змінюються ступені окиснення елементів), то їх називають реакціями йонного обміну.

Скласти йонне рівняння досить просто2. Виконаймо дослід і розгляньмо послідовність складання йонного рівняння на прикладі реакції між калій йодидом і плюмбум(ІІ) нітратом у розчині. Про її перебіг свідчить утворення яскраво-жовтого осаду плюмбум(ІІ) йодиду (рис. 15.1).

2 Алгоритм складання йонних рівнянь реакцій наведено в Додатку 6.

Рис. 15.1. Унаслідок реакції між калій йодидом і плюмбум(ІІ) нітратом у розчині утворюється яскраво-жовтий осад плюмбум(ІІ) йодиду

Спочатку запишімо рівняння реакції без урахування дисоціації електролітів:

Pb(NO3)2 + 2КІ = 2KNO3+ РbI2

Щоб скласти рівняння цієї реакції в йонній формі, потрібно зважити на те, що електроліти в розчині дисоціюють на йони. За таблицею «Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді» (див. Додаток 9) визначмо, які з-поміж реагентів є сильними електролітами. Обидві розчинні солі плюмбум(ІІ) нітрат і калій йодид у водному розчині майже повністю дисоціюють на йони. Тож запишімо їхні формули в йонній формі:

Pb2+ + 2NO-3 + 2К+ + 2I-

Проаналізуймо, які із цих йонів взаємодіятимуть між собою з огляду на знаки їхніх зарядів. Це потрібно, щоб пересвідчитися, що ми правильно визначили продукти реакції. Електростатичні сили зумовлюватимуть притягування різнойменних і відштовхування однойменно заряджених йонів (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Електростатична взаємодія між протилежно зарядженими йонами в розчині

Отже, продукти реакції - калій нітрат і плюмбум(ІІ) йодид. Калій нітрат - сильний електроліт, повністю дисоціює, тому в правій частині рівняння записуємо катіони Калію та нітрат-аніони. Плюмбум(ІІ) йодид практично нерозчинний, тож його формулу залишаємо незмінною:

Pb2+ + 2NO-3 + 2К+ + 2I- = 2К+ + 2NO-3 + РbI2

Зверніть увагу: у йонному рівнянні коефіцієнти перед формулами кожного з йонів записують з урахуванням індексів у формулах електролітів та коефіцієнтів перед ними. Наприклад, унаслідок дисоціації плюмбум(ІІ) нітрату кількістю речовини 1 моль утворюється стільки само катіонів Плюмбуму(ІІ) і вдвічі більше нітрат-аніонів. А під час дисоціації калій йодиду кількістю речовини 2 моль утворюється стільки само катіонів Калію та йодид-аніонів.

Очевидно, що в лівій і правій частинах йонного рівняння є однакові йони:

Pb2+ + 2NO-3 + 2К+ + 2I- = 2К+ + 2NO-3 + РbI2

Оскільки вони не беруть участі в реакції, їхні формули з лівої та правої частин йонного рівняння можна вилучити. Зробивши це, одержимо скорочене йонне рівняння:

Рb2+ + 2I- = РbI2

У ньому записано формули лише тих частинок, які реально взаємодіють у розчині з утворенням яскраво-жовтого осаду плюмбум(ІІ) йодиду. Тобто скорочене йонне рівняння відбиває суть реакції обміну між електролітами в розчині. Воно показує, які йони взаємодіють і яка речовина є продуктом реакції.

Виконаний дослід дає підстави стверджувати, що однією з умов необоротності реакції між електролітами в розчині є утворення осаду.

З’ясуймо, за яких ще умов, окрім утворення осаду, реакції обміну в розчинах електролітів будуть необоротними - тобто відбуватимуться до кінця. Дослідимо реакцію між натрій гідроксидом і нітратною кислотою в розчині. Наочно пересвідчитися в перебігу реакції нейтралізації допоможе застосування індикатора. До розчину натрій гідроксиду добавимо кілька крапель спиртового розчину фенолфталеїну - специфічного індикатора лужного середовища. Ви, звичайно, пам’ятаєте, що під дією гідроксид-аніонів фенолфталеїн набуває малинового забарвлення. Краплями, щоразу обережно струшуючи колбу, добавлятимемо розбавлену нітратну кислоту, аж поки не зникне малинове забарвлення індикатора (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Добавляння краплями розбавленої нітратної кислоти (1) до підфарбованого фенолфталеїном розчину натрій гідроксиду (2)

Знебарвлення розчину свідчить про нейтралізацію лугу кислотою:

NaOH + HNO3 = NaNO3 + Н2О

За допомогою таблиці розчинності визначимо, що із чотирьох речовин - реагентів і продуктів реакції - до сильних електролітів належать три. Це натрій гідроксид (луг), нітратна кислота та натрій нітрат - розчинна сіль. Вода - дуже слабкий електроліт, тож майже не дисоціює. З огляду на це запишемо повне йонне рівняння реакції між натрій гідроксидом і нітратною кислотою в розчині:

Na+ + ОН- + Н+ + NO-3 = Na+ + NO-3 + Н2О

Вилучивши з лівої і правої частин рівняння однакові йони: катіони, одержуємо скорочене йонне рівняння:

ОН- + H+ = H2O

Очевидно, що молекули води утворюються внаслідок взаємодії в розчині катіонів Гідрогену й гідроксид-аніонів.

Отже, реакція обміну між електролітами в розчині практично необоротна, якщо один з продуктів - дуже слабкий електроліт, наприклад вода, або інша малодисоційована речовина.

Розгляньмо ще один випадок перебігу до кінця реакції між електролітами в розчині. Змішаємо розчин натрій карбонату з розбавленою сульфатною кислотою (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Реакція між натрій карбонатом і сульфатною кислотою в розчині супроводжується виділенням газу - реакційна суміш спінюється.

Завдання. Поясніть, чому не можна для проведення досліду брати розчини соди та кислоти в більших кількостях, ніж указано в інструкції

Скориставшись таблицею розчинності, запишімо рівняння реакції (пам’ятаймо, карбонатна кислота нестійка, існує в розчині як гідрат складу СО2 · Н2О й миттєво розкладається на воду і карбон(ІV) оксид):

З-поміж п’ятьох речовин - реагентів і продуктів реакції - до сильних електролітів належать три. Це натрій карбонат, сульфатна кислота і натрій сульфат. Вода - дуже слабкий електроліт, а карбон(ІV) оксид (вуглекислий газ) видаляється зі сфери реакції. Тож реакція необоротна - відбувається до кінця:

2Na+ + CO2-3 + 2Н+ + SO2-4 = 2Na+ + SO2-4 + CO2 + H2O;

CO2-3 + 2H+ = CO2 + H2O.

Виконані досліди доводять, що реакції обміну між електролітами в розчині необоротні, якщо поміж продуктів реакції є осад, газ, вода або інший слабкий електроліт. Якщо виконується хоча б одна із цих умов, реакція відбувається до кінця. Якщо ж ні, то внаслідок змішування розчинів утворюється суміш йонів. Про це свідчить повне йонне рівняння реакції між натрій хлоридом і калій нітратом у розчині:

Na+ + Сl- + К+ + NO-3 = Na+ + ΝΟ-3 + К+ + Сl-

Цікаво і пізнавально

Правило, згідно з яким реакції обміну необоротні, сформулював французький хімік Клод Луї Бертолле. Уродженець м. Києва Я. І. Михайленко уточнив правила йонного обміну між електролітами в розчинах (рис. 15.5).

Рис. 15.5.

1. Бертолле Клод Луї (1748-1822) - французький хімік, засновник учення про хімічну рівновагу, член Паризької академії наук. Розробив разом з Антуаном Лавуазьє нову хімічну номенклатуру. Визначив склад амоніаку, природного газу, ціанідної кислоти, гідроген сульфіду. Відкрив (1785) калій хлорат, названий згодом бертолетовою сіллю.

2. Михайленко Яків Іванович (1864-1943) - український і російський хімік, закінчив Київський університет (1888). Поміж низки наукових праць - «Посібник до практичних занять з елементарного курсу хімії», «До питання про співвідношення між густиною розчинника в розчині та пружністю пари розчину», «Вступ до хімічного аналізу й таблиці якісного хімічного аналізу» (спільно з С. М. Реформатським)

Щоб дістати більше експериментальних підтверджень правильності зроблених висновків, виконайте лабораторні досліди 4—6.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД

Пригадайте й неухильно виконуйте ПРАВИЛА БЕЗПЕКИ ПІД ЧАС РОБОТИ З ОБЛАДНАННЯМ І РЕАКТИВАМИ

4-6. Реакції обміну в розчинах електролітів

Завдання

1. Проробіть досліди (варіант виконання вам порадить учитель або вчителька хімії). Для ліпшого спостереження за перебігом реакцій використовуйте чорно-білий екран. Якщо досліди виконуєте в заглибинах пластини, беріть реактивів удвічі менше порівняно з кількостями, потрібними для дослідів у пробірках.

2. Опишіть і поясніть спостереження, складіть рівняння реакцій, запишіть їх у повній і (де це можливо) скороченій йонній формах. За потреби скористайтеся таблицею «Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді».

3. Після завершення роботи обговоріть свої спостереження та складені скорочені йонні рівняння із сусідом чи сусідкою по парті. Порівняйте висновки, яких ви дійшли. Які рівняння, на вашу думку, відображають суть реакцій обміну між електролітами в розчині?

Обладнання: штатив з пробірками або пластина із заглибинами, скляні палички, чорно-білий екран.

І варіант

Реактиви: розчини купрум(ІІ) сульфату, натрій карбонату, натрій нітрату, калій гідроксиду; хлоридна кислота.

4. Реакції обміну в розчинах електролітів з випаданням осаду

У пробірку внесіть 5 крапель розчину купрум(ІІ) сульфату й добавте 5 крапель розчину калій гідроксиду.

5. Реакції обміну в розчинах електролітів з виділенням газу

У пробірку налийте концентрований розчин натрій карбонату об’ємом 1 мл і добавте 3-4 краплі хлоридної кислоти.

6. Реакції обміну в розчинах електролітів з утворенням води

У пробірку внесіть 3-4 краплі розчину калій гідроксиду та краплю розчину фенолфталеїну. Яке забарвлення розчину?

Добавте краплю хлоридної кислоти, перемішуючи рідину скляною паличкою. Якщо розчин не знебарвиться, добавте краплями ще кислоти. Поясніть, чому розчин знебарвився.

*Змішування розчинів купрум(ІІ) сульфату та натрій нітрату

У пробірку внесіть 3-4 краплі розчину купрум(ІІ) сульфату й добавте стільки само крапель розчину натрій нітрату. Чи є ознаки перебігу реакції? Складіть рівняння реакції, запишіть його в повній йонній формі. Поясніть, чи можна в цьому випадку скласти скорочене йонне рівняння. Зробіть висновок про те, чи відбулася хімічна реакція.

II варіант

Реактиви: розчини купрум(ІІ) сульфату, натрій карбонату, натрій хлориду, натрій гідроксиду, сульфатної кислоти.

4. Реакції обміну в розчинах електролітів з випаданням осаду

У пробірку внесіть 5 крапель розчину купрум(ІІ) сульфату і добавте 5 крапель розчину натрій гідроксиду.

5. Реакції обміну в розчинах електролітів з виділенням газу

У пробірку налийте концентрований розчин натрій карбонату об’ємом 1 мл і добавте 3-4 краплі розчину сульфатної кислоти.

6. Реакції обміну в розчинах електролітів з утворенням води

У пробірку внесіть 3-4 краплі розчину натрій гідроксиду та краплю розчину фенолфталеїну. Яке забарвлення розчину?

Добавте краплю розчину сульфатної кислоти, перемішуючи рідину скляною паличкою. Якщо розчин не знебарвиться, добавте ще краплю кислоти. Поясніть, чому розчин знебарвився.

*Змішування розчинів купрум(ІІ) сульфату та натрій хлориду

У пробірку внесіть 3-4 краплі розчину купрум(ІІ) сульфату й добавте стільки само крапель розчину натрій хлориду. Чи є ознаки перебігу реакції? Складіть рівняння реакції, запишіть його в повній йонній формі. Поясніть, чи можна в цьому разі скласти скорочене йонне рівняння. Зробіть висновок, чи відбулася хімічна реакція.

Йонні рівняння, записані в скороченій формі, відбивають суть хімічної реакції. Ви пересвідчилися в цьому під час виконання лабораторних дослідів. Також ви навчилися використовувати таблицю розчинності для прогнозування можливості перебігу реакцій йонного обміну в розчинах електролітів, записувати рівняння реакцій у повній і скороченій йонних формах. Закріпімо ці знання й уміння. Для цього виконаємо обернене завдання: доберемо пари речовин, взаємодію між якими в розчині описує скорочене йонне рівняння.

Наприклад, унаслідок взаємодії в розчині катіонів Феруму(ІІІ) та гідроксид-аніонів утворюється бурий драглистий осад ферум(ІІІ) гідроксиду (рис. 15.6):

Fe3+ + 3ОН- = Fe(OH)3

Рис. 15.6. Унаслідок змішування розчину лугу (1) з розчином солі Феруму(ІІІ) (2) утворюється бурий драглистий осад ферум(ІІІ) гідроксиду (3)

Які саме речовини потрібно взяти для проведення цієї реакції? Скористаймося таблицею розчинності, щоб з’ясувати, які сполуки Феруму(ІІІ) розчинні у воді. Розчинними є хлорид, бромід, сульфат і нітрат Феруму(ІІІ). Аналогічно доберемо розчинну основу. Можна використати розчини гідроксидів Калію, Натрію, Барію тощо. Єдине обмеження - другий продукт реакції має бути розчинним. Тож умові завдання не відповідатиме взаємодія ферум(ІІІ) сульфату з барій гідроксидом. Адже барій сульфат також нерозчинний (пересвідчіться в цьому, склавши повне йонне рівняння). Щоб перевірити наші передбачення, запишімо в повній та скороченій йонних формах рівняння реакції між ферум(ІІІ) нітратом і калій гідроксидом у розчині:

Fe3+ + 3NO-3 + 3К+ + 3ОН- = Fe(OH)3↓ + 3К+ + 3NO-3

Fe3+ + 3ОН- = Fe(OH)3

Одержане скорочене йонне рівняння однакове з тим, що було в умові завдання. Тож утворення драглистого бурого осаду ферум(ІІІ) гідроксиду зумовлене взаємодією в розчині катіонів Феруму(ІІІ) та гідроксид-аніонів. Закріпити знання, здобуті під час опрацювання цього параграфа, ви зможете, застосувавши їх під час виконання дослідів на практичній роботі 1.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Реакції обміну між електролітами в розчинах відбуваються за участю йонів.

• Рівняння цих реакцій - йонні рівняння.

• Реакції йонного обміну відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів.

• Умови необоротності реакції між електролітами в розчині наведено на рисунку 15.7.

• Для прогнозування можливості перебігу реакцій йонного обміну в розчинах електролітів використовують таблицю «Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді».

Рис. 15.7

Перевірте себе

1. Які реакції називають йонними? 2. Які рівняння описують реакції між йонами в розчині? 3. Які реакції називають реакціями йонного обміну? 4. Яке рівняння відбиває суть реакції обміну між електролітами в розчині? 5. За яких умов реакції обміну між електролітами в розчині є необоротними?

Застосуйте свої знання й уміння

6. Запишіть у повній і скороченій йонних формах рівняння реакцій між: а) натрій карбонатом і кальцій хлоридом; б) хлоридною кислотою та магній карбонатом; в) нітратною кислотою та барій гідроксидом.

7. Пара йонів, які беруть участь у хімічній реакції між магній сульфатом і барій нітратом у розчині, - це

  • А Мg2+ і NO-3
  • Б Мg2+ і Ва2+
  • В Ва2+ і SO2-4
  • Г NO-3 і SO2-4

8. Пара йонів, які беруть участь у хімічній реакції між калій гідроксидом і ортофосфатною кислотою в розчині, - це

  • А К+ і NO-3
  • Б Н+ і NO-3
  • В Н+ і ОН-
  • Г К+ і ОН-

9. Доберіть не менше двох пар речовин, реакції між якими в розчині зумовлені взаємодією: а) катіонів Плюмбуму(ІІ) і хлорид-аніонів; б) катіонів Гідрогену і гідроксид-аніонів; в) катіонів Гідрогену та силікат-аніонів; г) катіонів Гідрогену та купрум(ІІ) гідроксиду; д) катіонів Гідрогену та сульфід-аніонів.

10. Доберіть по кілька пар речовин, взаємодію між якими описують скорочені йонні рівняння - розв’язок завдання 6.

11. Виберіть пари йонів, які не можуть одночасно перебувати в розчині.

  • А Са2+ і РО3-4
  • Б Fe3+ і ОН-
  • В СО2-3 і Сl-
  • Г NO-3 і Ва2+

12. Виберіть пари йонів, які можуть одночасно перебувати в розчині.

  • А Са2+ і Вr-
  • Б Н+ і ОН-
  • В CO2-3 і Н+
  • Г NO-3 і Zn2+

*13. Роздивіться рисунок 15.8. Виберіть пари йонів, які відповідають схематичному зображенню скороченого йонного рівняння.

Рис. 15.8. Аніони: S2-, РО3-4, SO2-4. Катіони: Mg2+, Fe3+, Zn2+

14. На рисунку 15.9 на мікро- і макрорівні зображено реакцію йонного обміну за участю аргентум(І) нітрату. Один з її продуктів - аргентум(І) йодид. Визначте, які електроліти могли б бути другим реагентом у цій реакції. Складіть хімічні рівняння, запишіть їх у повній і скороченій йонній формах.

Рис. 15.9. Реакція йонного обміну за участю аргентум(І) нітрату. Один з продуктів реакції - нерозчинний аргентум(І) йодид

*15. У хімічний стакан з розчином натрій сульфату занурили електроди приладу для дослідження електропровідності й увімкнули електричний струм. До досліджуваного розчину почали повільно доливати розчин барій хлориду. Спрогнозуйте зміни, які відбуватимуться в розчині та з індикатором приладу. Поясніть спостереження за допомогою повних і скорочених йонних рівнянь.

*16. До складу начинки карамельок «Шипучка» входить питна сода (натрій гідрогенкарбонат NaHCO3) та безводна лимонна кислота. Поясніть, чому ці речовини починають взаємодіяти між собою лише під час контакту з вологою.

Творча майстерня

17. У хімічному кабінеті під керівництвом учителя або вчительки хімії визначте кислотність виданих зразків меду. Виготовте розчини з масовою часткою меду 10 %. У хімічні стакани відмірте порції 10 %-го водного розчину меду об’ємами по 100 мл, добавте до кожної з них по 5 крапель 1 %-го спиртового розчину фенолфталеїну та 0,1 %-го розчину натрій гідроксиду об’ємом 5 мл. Поясніть, у якому випадку мед має підвищену кислотність: якщо розчин залишився безбарвним чи за появи малинового забарвлення. Відповідь аргументуйте рівнянням реакції, запишіть його в повному і скороченому йонному вигляді.

18. Поміркуйте, яку широко застосовувану в кулінарії сполуку можна використати в домашніх умовах для виявлення надмірної кислотності меду. Складіть план експерименту та обговоріть його з учителем або вчителькою хімії. Виконайте експеримент у домашніх умовах.

19. Дізнайтеся, використавши різноманітні джерела інформації, про застосування йонного обміну для опріснення води.

За результатами досліджень підготуйте презентації.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=HToH4SytenA
  • https://www.youtube.com/watch?v=_2W0zMu5GRc
  • http://study.com/academy/lesson/precipitation-reactions-predicting-precipitates-and-net-ionic-equations.html
  • https://www.youtube.com/watch?v=TdlMOBnKGPw
  • https://www.youtube.com/watch?v=H6FFy5CRGm4